《材料科学基础》PPT课件.ppt

4）  将此值化成最小整数u，v，w并加以方括号[u v w]即是代表一组互相平行，方向一致的晶向）2. 晶向指数（Orientation index）晶面族{h k l}中的晶面数：a）h k l三个数不等，且都≠0，则此晶面族中有 b）h k l有两个数字相等 且都≠0，则有， 如{1 1 2}c) h k l三个数相等，则有，d）h k l 有一个为0，应除以2，则有 有二个为0，应除以22，则有 求法：求法：1 1））  在所求晶面外取晶胞的某一顶点为原点在所求晶面外取晶胞的某一顶点为原点o o，三棱边为三坐标轴，三棱边为三坐标轴x x，，y y，，z z2 2））  以棱边长以棱边长a a为单位，量出待定晶面在三个坐标轴上的截距为单位，量出待定晶面在三个坐标轴上的截距 若某一截距为负，则在其上加一负号若某一截距为负，则在其上加一负号3 3））  取截距之倒数，并化为最小整数取截距之倒数，并化为最小整数h h，，k k，，l l并加以圆括号（并加以圆括号（h k lh k l）即是。

即是 （代表一组互相平行的晶面；指数相同符号相反晶面互相平行）（代表一组互相平行的晶面；指数相同符号相反晶面互相平行）晶面族晶面族{ {hklhkl} }：晶体学等价的晶面总合晶体学等价的晶面总合 3.晶面指数（Indices of Crystallographic Plane）4.六方晶系指数（Indices of hexagonal crystal system orhexagonal indices） 三坐标系                                      四轴坐标系a1，a2，c                                    a1，a2，a3，c120° 120° 120° 5.晶带（Crystal zone）    所有相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个“晶带” （crystal zone） 此直线称为晶带轴（crystal zone axis），所有的这些晶面都称为共带面 晶带轴[n v w]与该晶带的晶面（h k l）之间存在以下关系 hu ＋ kv ＋ lw＝0 ————晶带定律 凡满足此关系的晶面都属于以[h k l]为晶带轴的晶带6．晶面间距（Interplanar crystal spacing）两相邻平行晶面间的垂直距离两相邻平行晶面间的垂直距离——晶面间距，用晶面间距，用d dhklhkl表示表示从原点作（从原点作（h k lh k l））晶面的法线，则法线被最近的（晶面的法线，则法线被最近的（h k lh k l））面所交截的距离即是面所交截的距离即是 上述公式仅适用于简单晶胞,对于复杂晶胞则要考虑附加面的影响 fact 当（hkl）不为全奇、偶数时，有附加面： 通常低指数的晶面间距较大，而高指数的晶面间距则较小bcc  当h＋k＋l＝奇数时，有附加面： 六方晶系 立方晶系：点群（point group）—晶体中所有点对称元素的集合根据晶体外形对称性，共有32种点群空间群（space group）—晶体中原子组合所有可能方式根据宏观、微观对称元素在三维空间的组合，可能存在230种空间群（分属于32种点群） 三、晶体的对称性晶体的对称性 crystalline symmetry symmetrization of crystals若干个相同部分 假想的几何要素，变换 重合复原对称性——晶体的基本性质 对称性元素（symmetry elements） 四、极射投影 Stereographic projection 极射投影原理（principle） 参考球，极点、极射面、大图、基图 Wulff网（wullf net）经线、 纬线、2º等分沿赤道线 沿基圆读数 只有两极点位于吴氏经线或赤道上才能正确度量晶面、晶向间夹角标准投影：以某个晶面//投影面作出极射投影图。

（001）l五、倒易点阵五、倒易点阵（Reciprocal lattice）l布拉格方程： nλ = 2dsinθl寻求一种新的点阵（抽象），使其每一阵点对应着实际点阵中的一定晶面，而且既能反映该晶面的取向，又能反映其晶面间距l晶体点阵（正点阵）三个基矢a、、b、、c与其相应的倒易点阵的基矢a*、、b*、、c*之间的关系如下：l                                       a*,b*,c*与a,b,c的关系示意图 习习 题题l1.标出出面心立方晶胞中（标出出面心立方晶胞中（111）面上各点的坐标，）面上各点的坐标，        (320)、、(112)面及面及[110]、、[011]、、[112]、、[211]方向方向l2.计算立方晶系（包括简单立方、面心立方、计算立方晶系（包括简单立方、面心立方、 体心立方）体心立方）        d（（345））和六方晶系和六方晶系d（（1122））的晶面间距的晶面间距l3.作出立方晶系作出立方晶系{111}晶面族的所有晶面晶面族的所有晶面l4.为什么密排六方结构属于简单六方点阵？画出（为什么密排六方结构属于简单六方点阵？画出（1012）、）、(2111)面面        和和[1120]、、[2111]方向方向l5.正交点阵中画出以正交点阵中画出以[001]为晶带轴的所有晶面为晶带轴的所有晶面※2 ※2 金属的晶体结构金属的晶体结构（Crystal Structure of Metals） 体心立方点阵面心立方点阵密排六方点阵表2.5三种典型金属结构的晶体学特点 晶胞中的原子数（Number of atoms in unit cell） 点阵常数（lattice parameter）a，c原子半径（atomic radius） R配位数（coordination number） N 致密度（Efficiency of space filling） 轴比（axial ratio） c/a 堆垛（Stacking）密排结构（close-packed crystal structure）最密排面(close-packed plane of atoms)fcc {1 1 1} ABCABCABC······hcp{0 0 0 1} ABABABAB······间隙（Interstice）四、八面体间隙fcc，hcp 间隙为正多面体，且八面体和四面体间隙相互独立bcc 间隙不是正多面体，四面体间隙包含于八面体间隙之中 tetrahedraloctahedralinterstice 图图2.32    面心立方结构中的间隙面心立方结构中的间隙图图2.33    体心立方结构中的间隙体心立方结构中的间隙图图2.34    密排六方结构中的间隙密排六方结构中的间隙多晶型转变（allotropic transformation）同素异构转变l一一. 固溶体固溶体 Solid solutionl 固溶体：溶质原子固溶体：溶质原子(solute atom)溶入基体溶入基体(matrix)中所形成的均中所形成的均匀匀                       结晶相。

晶体结构保持基体金属的结构结晶相晶体结构保持基体金属的结构     置换固溶体置换固溶体        Substitutional solid solution间隙固溶体间隙固溶体        Interstitial solid solution按溶质原子位置分按溶质原子位置分   固溶体固溶体※ ※ 3 合金的相结构  Phase constitution of Alloys固溶体固溶体 Solid Solution中间相中间相 Intermidiate phase                               合金相合金相(Phase)有序有序 ordered无序无序 disordered               按原子排列秩序按原子排列秩序第一类固溶体第一类固溶体    primary solid solution第二类固溶体第二类固溶体    secondary solid solution 按溶剂（按溶剂（solvent）） 类别分类别分无限无限 complete solubility有限有限 limited按固溶度（按固溶度（solid solubility））分分l1.置换固溶体置换固溶体 Substitutional solid solutionl     溶质原子置换了部分的溶剂原子溶质原子置换了部分的溶剂原子      影响溶解度的因素：影响溶解度的因素：           ⅰ) 组元的晶体结构组元的晶体结构crystal structure of components                      晶体结构相同是组元之间形成无限固溶体的必要条件晶体结构相同是组元之间形成无限固溶体的必要条件           ⅱ）原子尺寸因素）原子尺寸因素the size factor effect                    Δr＜＜14～～15％％才有可能形成溶解度较大甚至无限固溶的固溶体才有可能形成溶解度较大甚至无限固溶的固溶体            ⅲ）化学亲和力（电负性因素））化学亲和力（电负性因素）the electrochemical effect                    在不形成化合物的条件下，电负性差值增大，溶解度增大在不形成化合物的条件下，电负性差值增大，溶解度增大                    在形成化合物的条件下，电负性差值增大，溶解度减小在形成化合物的条件下，电负性差值增大，溶解度减小            ⅳ）电子浓度（原子价因素））电子浓度（原子价因素）the relative valency effect                   合金中各组元的价电子总和（合金中各组元的价电子总和（e））与组元的原子数总和（与组元的原子数总和（a））之比之比V V、、v v分别为溶剂、溶质原子价分别为溶剂、溶质原子价Nb   Mo   Rh   Pd5       6        9     10      溶剂溶剂                      溶质元素的溶解度％溶质元素的溶解度％ Zn（（二价）二价） Ga（（三价）三价） Ge（（四价）四价） As（（五价）五价）       Cu     3820      12       7      Ag     4220       12       7极限电子浓度极限电子浓度（临界电子浓度）与溶剂晶体点阵类型有关（临界电子浓度）与溶剂晶体点阵类型有关对一价溶剂而言对一价溶剂而言  fcc:1.36; bcc:1.48; hcp:1.75平均族数平均族数（过渡族元素）：以原子中相当于惰性气体的满（过渡族元素）：以原子中相当于惰性气体的满壳层以外的全部电子数（壳层以外的全部电子数（s＋＋p＋＋d)来计算来计算：Critical electron concentrationAverage group number溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体——间隙固溶体间隙固溶体溶质原子溶质原子 （（R<0.1nm））                       如：如：       H        B        C        N         O                                               0.046     0.097   0.077  0.071   0.060溶剂元素大多为过渡族元素溶剂元素大多为过渡族元素有限固溶体有限固溶体溶解度与溶剂元素的晶格类型密切相关溶解度与溶剂元素的晶格类型密切相关C 在在α-Fe（（bcc）） 0.0218 wt % ν-Fe (fcc) 2.11 wt %2. 2. 间隙固溶体间隙固溶体 Interstitial solid solution原子偏聚原子偏聚 atom segregation短程有序短程有序 short range order固溶体的微观不均匀性固溶体的微观不均匀性短程有序参数短程有序参数B原子周围出现原子周围出现A原子的几率原子的几率完全有序完全有序短程有序短程有序B偏聚偏聚A原子的原子百分数原子的原子百分数B周围出现周围出现A原子的几率与其它原子相等原子的几率与其它原子相等B周围出现周围出现A原子的几率大于其它原子原子的几率大于其它原子倾向于以异类原子为邻倾向于以异类原子为邻B周围出现周围出现A原子的几率小于其它原子原子的几率小于其它原子倾向于以同类原子为邻倾向于以同类原子为邻3.3.有序固溶体有序固溶体 Ordered solid solution长程有序固溶体（长程有序固溶体（Long Range OrderLong Range Order））————超结构超结构 （（superlatticesuperlattice, superstructure, superstructure））超结构的结构类型超结构的结构类型a)fcc CuAuⅠ型型   385℃以下形成以下形成b)       CuAuⅡ型型   385～～410℃以下形成以下形成c)      b）） bcc Fe-Al CuZnc ) hcp Mg-CdCu3AuⅠ 型型   390℃有序化有序化长程有序参数长程有序参数 或P——A(或或B））原子正确位置上出现原子正确位置上出现A（（B））原子几率原子几率完全有序时完全有序时 P＝＝1   S＝＝1   α→最大值最大值完全无序时完全无序时 P＝＝XA  S＝＝1   α＝＝01.温度升高，原子热运动提高，温度升高，原子热运动提高，S降低降低2.冷却速度冷却速度    Tc 以上温度快速冷却以上温度快速冷却→无序无序3.合金成分合金成分    例：对例：对 CuAu 合金合金  Cu:Au＝＝3:1 或或 1:1 时完全有序时完全有序有序化影响因数有序化影响因数4. 固溶体的性质固溶体的性质     Properties of the solid solution     ⑴⑴点阵畸变点阵畸变     点阵常数点阵常数     间隙原子间隙原子     ⑵⑵固溶强化固溶强化      HV，，              ⑶⑶物理化学性能物理化学性能      ρ   μ    电极电位电极电位        ⑷⑷有序化影响有序化影响     ρ HV   磁性磁性中间相：两组元中间相：两组元A和和B组成合金时，除了形成以组成合金时，除了形成以A为基或以为基或以B为基的固溶体外，还可以形成晶体结构与为基的固溶体外，还可以形成晶体结构与A、、B两组元均不两组元均不相同的新相。

由于它们在二元相图的位置是位于中间，故相同的新相由于它们在二元相图的位置是位于中间，故通常把这些相称为中间相通常把这些相称为中间相金属化合物（金属化合物（metallic Compounds)金属间化合物（金属间化合物（Intermetallic Compounds)二二 中间相中间相 Intermediate PhaseIntermediate Phase中间相的特征中间相的特征：具有不同于组元的晶体结构：具有不同于组元的晶体结构                            可用化学分子式表示可用化学分子式表示                            但并不一定符合化合价规律但并不一定符合化合价规律原子间的结合方式：原子间的结合方式：(金属键＋其他键）混合，具有金属性金属键＋其他键）混合，具有金属性中间相的形成和晶体结构的影响因素中间相的形成和晶体结构的影响因素电负性电负性电子浓度电子浓度原子尺寸原子尺寸1.正常价化合物（正常价化合物（electrochemical compounds））    M  ＋＋  Ⅳ、、Ⅴ、、Ⅵ族元素族元素    按化学上的正常原子价规律形成按化学上的正常原子价规律形成    成分可用分子式来表示：成分可用分子式来表示：Mg2Pb，，Mg2Sn，，Mg2Ge，，Mg2Si如如 CuZn , Fe3C负电性差愈大，化合物愈稳定，愈趋于离子键结合负电性差愈大，化合物愈稳定，愈趋于离子键结合负电性差愈小，化合物愈不稳定，愈趋于金属键结合负电性差愈小，化合物愈不稳定，愈趋于金属键结合A2B（（或或AB2））A3B2类类型型ABNaCl 或或 ZnS 结构结构反反 CaF2 或或 CaF2 结构结构反反 M2O3 型结构型结构2.电子化合物电子化合物 electron compounds       Hume－－RotteryⅠBⅡBⅢAⅣA对应于同类分子式的离子化合物结构对应于同类分子式的离子化合物结构特点：凡具有相同电子浓度，则相的特点：凡具有相同电子浓度，则相的            晶体结构类型相同晶体结构类型相同e/a 电子化合物电子化合物 不符合化合价规律，但也可用分子式表示不符合化合价规律，但也可用分子式表示原子间结合以金属键为主，具有明显的金属性原子间结合以金属键为主，具有明显的金属性3.原子尺寸因素化合物 Size factor Compounds(1)间隙相和间隙化合物间隙相和间隙化合物 Interstitial Phase and Compounds过渡族金属过渡族金属←C、、H、、N、、O、、B  （（r<0.1nm））a)间隙相间隙相 Interstitial Phase简单晶体结构简单晶体结构 fcc，，hcp非金属原子进入四面体间隙非金属原子进入四面体间隙非金属原子进入八面体间隙非金属原子进入八面体间隙非金属原子填满密堆结构非金属原子填满密堆结构( fcc 和和 hcp)八面体间隙八面体间隙非金属原子填满密堆结构非金属原子填满密堆结构(fcc 和和 hcp)四面体间隙四面体间隙在在 fcc 中非金属原子占据一个八面体间隙中非金属原子占据一个八面体间隙在在 hcp 中非金属原子占据一半八面体间隙中非金属原子占据一半八面体间隙未填未填满满b））间隙化合物间隙化合物 Interstitial Compounds复杂的晶体结构复杂的晶体结构M3C：：如如Fe3C－－渗碳体渗碳体（（Cementite）） 每个晶胞原子数每个晶胞原子数16个（个（12个个 Fe , 4个个C）） Fe－－Fe呈金属键，呈金属键， Fe－－C即有金属键也有离子键即有金属键也有离子键M7C3：：如如 Cr7C3 M23C6：：如如 Cr23C6 M6C：：如如 Fe3W3C ，，Fe4W2C 属正交晶系属正交晶系 a＝＝4.524Å b＝＝5.089Å c＝＝6.743Å(2)拓扑密堆相拓扑密堆相 Topological close-packed phaseTopological close-packed phase    由两种大小不同的原子所构成的一类中间相，其中大小原子通过适当由两种大小不同的原子所构成的一类中间相，其中大小原子通过适当的配合构成空间利用率和配位数很高的复杂结构，具有拓扑学特点。

的配合构成空间利用率和配位数很高的复杂结构，具有拓扑学特点a））结构特点结构特点    大小原子的适当配合，由四面体间隙组成的晶体点阵，配位数可以达大小原子的适当配合，由四面体间隙组成的晶体点阵，配位数可以达12、、14、、15及及16①① 配位多面体：把晶体点阵中一个原子周围最近邻原子的中心彼此用配位多面体：把晶体点阵中一个原子周围最近邻原子的中心彼此用                              直线连接起来所构成的多面体直线连接起来所构成的多面体                特点：凸出的面，呈三角形；每个顶角至少连接五个三角形特点：凸出的面，呈三角形；每个顶角至少连接五个三角形20面体，面体，30棱边棱边24面体，面体，36棱边棱边26面体，面体，39棱边棱边28面体，面体，42棱边棱边②②原子密堆层原子密堆层TCP相可以看作由两种排列不相可以看作由两种排列不同的原子层相间地组成密集层同的原子层相间地组成密集层状结构主层系由三角形、四状结构主层系由三角形、四边形、六边形组成起来的网状边形、六边形组成起来的网状结构系由原子半径较小组元结构系由原子半径较小组元构成的密堆层；次层则由较大构成的密堆层；次层则由较大原子组成并分布于主层的大空原子组成并分布于主层的大空隙中（由小原子组成三维配位隙中（由小原子组成三维配位多面体的中心位置）多面体的中心位置）网格结构可用如下符号表示：网格结构可用如下符号表示：36 ， 63， 3 · 6 · 3 · 6， 32 · 4 · 3 · 4典型分子式典型分子式  AB2   理论上原子半径比理论上原子半径比且一定晶体结构对应着一定的电子浓度。

对高度合金且一定晶体结构对应着一定的电子浓度对高度合金化不锈耐热钢、铁基高温合金和化不锈耐热钢、铁基高温合金和Ni基高温合金中均有基高温合金中均有发现，呈针状析出于基体，对性能通常不利但在发现，呈针状析出于基体，对性能通常不利但在Mg合金中它是重要的强化相合金中它是重要的强化相b））TCP相举例相举例    Ⅰ））Lavers相（相（Laves Phase））            MgCu2,     MgZn2,           MgNi2复杂立方复杂立方  复杂六方复杂六方  复杂六方复杂六方如如ⅡⅡ））σσ相（相（Sigma Phase））     存在于过渡族金属元素组成的合金中，其分子式为存在于过渡族金属元素组成的合金中，其分子式为AB或或AxBy复杂四方结构（复杂四方结构（c/a=0.52)，，每个晶胞有每个晶胞有30个原子个原子在在Ni基高温合金，基高温合金，NiCr不锈钢、耐热钢中均有发现，呈片不锈钢、耐热钢中均有发现，呈片状，硬而脆，使塑性恶化状，硬而脆，使塑性恶化习题：习题：1. 归纳总结三种典型的金属晶体结构的晶体学特性归纳总结三种典型的金属晶体结构的晶体学特性2. 试证明理想密排六方结构的轴比试证明理想密排六方结构的轴比c/a=1.6333. 试导出试导出fcc和和bcc的八面体间隙和四面体间隙大小计的八面体间隙和四面体间隙大小计算式算式4. Cu具有具有fcc结构，其密度为结构，其密度为8.9×103Kg/m3。

相对原相对原    子质量为子质量为63.546，求铜的原子半径求铜的原子半径5. a））按晶体的刚球模型，若球的直径不变，当按晶体的刚球模型，若球的直径不变，当Fe从从     fcc转变为转变为bcc时，计算其体积膨胀多少？时，计算其体积膨胀多少？ b））经经x射线衍射测定，在射线衍射测定，在912℃时时α－－Fe的的a＝＝0.2892nm，，γ－－Fe的的a＝＝0.3633nm，，计算从计算从γ－－Fe转转变为变为α－－Fe时，其体积膨胀为多少？与时，其体积膨胀为多少？与a））相比，相比，说明其差别原因说明其差别原因6. 根据下表所给之值，确定哪一种金属可以作为溶质与根据下表所给之值，确定哪一种金属可以作为溶质与     Ti形成溶解度较大的固溶体：形成溶解度较大的固溶体：Tihcpa=0.295nmBehcp0.228Alfcc0.404Vbcc0.304Crbcc0.2887. Cu-Zn及及Cu－－Sn组成固溶体最多可含多少百分比的组成固溶体最多可含多少百分比的Zn    或或Sn？？若若Cu中已溶入中已溶入10％％Zn（（at％），％），最多还可以固最多还可以固    溶多少溶多少Sn？？8. 试对比分析间隙固溶体与间隙相形成条件的异同。

结构试对比分析间隙固溶体与间隙相形成条件的异同结构    与性能的特点与性能的特点这类晶体是以正离子（这类晶体是以正离子（cation)、、负离子负离子(anions) 为结合单元，即依靠正、为结合单元，即依靠正、负负 离子之间的库仑作用结合例如离子之间的库仑作用结合例如 NaCl晶体晶体  Na＋＋、、Cl－－为单元结合成的为单元结合成的陶瓷材料陶瓷材料(Ceramics)的晶体结构，大多属离子晶体，部分则为共价晶体的晶体结构，大多属离子晶体，部分则为共价晶体离子键没有方向性和饱和性离子键没有方向性和饱和性离子晶体的配位数也较高离子晶体的配位数也较高典型结构有四种：典型结构有四种：AB、、AB2、、A2B3、、AB2O4※ ※ 4.离子晶体结构 Ionic CrystalIA族碱金属元素族碱金属元素Li、、Na、、K、、Rb、、CsⅦA卤族金属元素卤族金属元素F、、Cl、、Br、、I元素周期表元素周期表典型的离子晶体典型的离子晶体1.Pauling第一规则－负离子配位多面体规则第一规则－负离子配位多面体规则在离子晶体中，正离子（在离子晶体中，正离子（cations））的周围形成一个负离子（的周围形成一个负离子（anions)配位多配位多面体，正负离子间的平衡距离取决于离子半径之和，而正离子的配位数则面体，正负离子间的平衡距离取决于离子半径之和，而正离子的配位数则取决于正负离子的半径比。

取决于正负离子的半径比r+/r-        0~0.155  0.155~0.255  0.255~0.414 0.414~0.732 0.732~1   1配位数配位数         2                 3                    4                   6                8         12形状形状         哑铃状状           三角形三角形            四面体四面体          八面体八面体     立方体立方体  立方八面体立方八面体2. Pauling第二规则－电价规则第二规则－电价规则离子晶体的结构规则   PaulingPauling运用离子键理论，在实验基础上总结了如下规则运用离子键理论，在实验基础上总结了如下规则负离子电价正离子静电强度配位数正离子电荷3. Pauling第三规则－负离子多面体共用顶、棱和面规则第三规则－负离子多面体共用顶、棱和面规则      在一个配位结构中，共用棱特别是共用面的存在，结构稳定性降在一个配位结构中，共用棱特别是共用面的存在，结构稳定性降低。

对电价高，配位数低的正离子，此效应尤为显著低对电价高，配位数低的正离子，此效应尤为显著共用一个顶点共用棱共用面四面体两四面体中心距离为10.580.33八面体两八面体中心距离为10.710.584. Pauling第四规则－不同种类正离子多面体间连接规则第四规则－不同种类正离子多面体间连接规则    在含多种正负离子的离子晶体中，电价高、配位数低的正离子配在含多种正负离子的离子晶体中，电价高、配位数低的正离子配位多面体间，尽量互不结合位多面体间，尽量互不结合5. Pauling第五规则－节约规则第五规则－节约规则    同一晶体同种正离子与同种负离子的结合方式应最大限度的趋同一晶体同种正离子与同种负离子的结合方式应最大限度的趋于一致于一致     一、一、 NaCl （（Sodium Chloride））型结构型结构         Rock Salt structure由由 Na＋＋ 和和 Cl－－ 各自组成的两个各自组成的两个fcc叠加而成的：其中一个叠加而成的：其中一个不动，而另一个不动，而另一个fcc的所有阵点都相对于第一个点阵平移一的所有阵点都相对于第一个点阵平移一个点阵矢量：个点阵矢量：每个每个Na＋＋被被6个个 Cl－－ 所包围，反之亦然，即配所包围，反之亦然，即配位数为位数为6。

每个原胞中只含一个每个原胞中只含一个 NaCl 分子属于这类结构的还有属于这类结构的还有 KCl、、LiF、、PbS；；氧化物：氧化物：MgO、、CaO、、BaO、、CdO、、MnO、、 FeO、、CoO、、 NiO；；氮化物：氮化物：TiN、、NaN、、ScN 、、CrN、、 ZrN ；；碳化物：碳化物：TiC 等二、荧石（二、荧石（CaF2））型结构型结构Fluorite Crystal Structure     属属 fcc 晶晶格格（（a=0.545nm）），，Ca2+　　处处在在立立方方体体的的顶顶角角和和各各面面心心位位置置，，形形成成fcc结结构构，，F-填填充充了了全全部部的的四四面面体体空空隙隙，，构构成成了了［［FCa4］］四四面面体体若若F—作作简简单单立立方方堆堆积积，，Ca2+ 填填于于半半数数的的立立方方体体空空隙隙中中，，则则构构成成[CaF8]立立方方体体Ca2+ 配配位位数数为为8，，立立方方体体之之间间共共棱棱连连接接即即 Ca2+ 构构成成一一套套完完整整的的面面心心立立方方格格子子；；F-构构成成了了两两套套 fcc 格格子子，，它它们们在在体体对对角角线线1/4和和3/4处处互互相相穿穿插插而而成成。

属属 CaF2 型型结结构构的的化化合合物物有有ThO2、、CeO2、、UO2等，等，ZrO2可以看成是扭曲的可以看成是扭曲的 CaF2 型结构三、氯化铯型结构三、氯化铯型结构  Cesium Chloride Structure　　　　Cs+ 和和 Cl— 各各自自组组成成简简单单立立方方，，套套配配而而成成的的复复式式简简单单立立方方点点阵阵，，而而不不是是体体心心立立方方点点阵阵在在 CsCl 结结构构的的一一个个晶晶胞胞中中只只包包含含一一个个基基元元——一一个个 CsCl 分分子子，，故故其其晶晶胞胞即即为为原原胞胞，，属属于于CsCl型型结结构的还有构的还有TlBr, TlI等四四 、、 -Al2O3(刚玉刚玉)型结构型结构 属属三三方方晶晶系系( (菱菱方方) )，，O O----处处于于密密排排六六方方结结构构的的结结点点上上，，而而AlAl++++++则则位位于于八八面面体体空空隙隙中中，，只只填填满满空空隙隙的的2/32/3，，因因此此，，每每三三个个相相邻邻的的八八面面体体空空隙隙，，有有一一个个是是空空着着的的还还要要求求铝铝离离子子之之间间的的间间距距最最大大。

每每一一个个AlAl++++++被被6 6个个O O——所所包包围围，，而每一个而每一个O O----同时被四个铝氧八面体同时被四个铝氧八面体[ [AlOAlO6 6] ]所共有，配位数所共有，配位数6 6：：4 4 属于刚玉型结构的化合物有属于刚玉型结构的化合物有 - -FeFe2 2O O3 3、、 -Cr-Cr2 2O O3 3、、 -Ga-Ga2 2O O3 3                                  图：-Al2O3的结构                      (a) 晶体结构                      (b)密堆积模型离离子子晶晶体体依依靠靠较较强强的的静静电电库库仑仑力力而而结结合合，，故故结结构构甚甚为为稳稳固固它它的的结结合合能能通通常常比比较较大大，，约约为为800kJ/mol离离子子晶晶体体结结合合稳稳定定性性导导致致它它具具有有导导电电性性差差、、熔熔点点高高、、硬硬度度高高和和膨膨胀胀系系数数小小等等特特点点，，大大多多数数离子晶体对可见光是透明的但在远红外区域则有特征吸收峰离子晶体对可见光是透明的。

但在远红外区域则有特征吸收峰 ABO3  ：： CaTiO3(钙钛矿钙钛矿)型结构型结构   CaCO3(方解石方解石)型结构型结构                                                图：钙钛矿型结构               (a)晶胞结构         (b)配位多面体的连接和Ca2+配位数为12的情况图：尖晶石的单位晶胞图：尖晶石的单位晶胞           AB2O4  ：：   MgAl2O4 尖晶石尖晶石(Spinel)        五．硅酸盐五．硅酸盐(Silicate)晶体结构晶体结构    基本特点：基本特点：(1)(1)基本结构单元基本结构单元[ [SiOSiO4 4] ]4-4-四面体四面体Silicon-oxygen tetrahedronSilicon-oxygen tetrahedron(2)(2) 每个每个O O2-2-最多只能为两个最多只能为两个[ [SiOSiO4 4] ]4-4-四面体所共有四面体所共有(3)(3) 可可共共用用四四面面体体顶顶点点彼彼此此连连接接成成单单链链、、双双链链或或成成层层状状、、网网状状复复杂杂结结构构，，不不能能共共棱棱和和共共面面连连接接，，且且同同一一类类硅硅酸酸盐盐中中[ [SiOSiO4 4] ]4-4-四四面面体体间连接只有间连接只有1 1种种(4)(4) [ [SiOSiO4 4] ]4-4-四面体中的四面体中的Si-O-SiSi-O-Si结合键结合键(5)(5) 通常呈键角为通常呈键角为145145º的折线。

的折线  图：图： [ [SiOSiO4 4] ]4-4-四面体四面体    按按[SiO4]4-的不同组合分为的不同组合分为1.1.孤岛状硅酸盐孤岛状硅酸盐 特特点点 ：：[SiO[SiO4 4] ]4-4-以以孤孤立立态态存存在在，，即即[ [SiOSiO4 4] ]4-4-只只通通过过与与其其他他正正离离子子连连接接，，而而使化合物达到饱和，可以是单一四面体，成对或环状四面体使化合物达到饱和，可以是单一四面体，成对或环状四面体 Mg Mg2 2[SiO[SiO4 4] ]镁橄榄石镁橄榄石( (forsteriteforsterite) ) 2.2.组群状硅酸盐组群状硅酸盐 特点：通过共用氧而连接成特点：通过共用氧而连接成2 2个，个，3 3个，个，4 4个或个或6 6个硅氧组群个硅氧组群          图：孤立的有限硅氧四面体群的各种形状图：孤立的有限硅氧四面体群的各种形状3.3.链状硅酸盐链状硅酸盐 特点：通过桥氧在一维方向伸展或单链或双链特点：通过桥氧在一维方向伸展或单链或双链        图：链状硅酸盐结构图：链状硅酸盐结构 ( (a) a) 单链单链 ( (b)b)双链双链 4. 4.层状硅酸盐层状硅酸盐 特特点点：：[SiO[SiO4 4] ]4-4-的的某某一一面面在在平平面面内内以以共共用用顶顶点点方方式式连连接接成成六六角角对对称称的的二维结构即层状结构。

二维结构即层状结构 5. 5.架状硅酸盐架状硅酸盐 特特点点：：每每个个[ [SiOSiO4 4] ]4-4-四四面面体体中中的的氧氧离离子子全全部部都都被被共共用用[ [SiOSiO4 4] ]4-4-四四面面体连成无限六元环状体连成无限六元环状图：层状硅酸盐中的四面体图：层状硅酸盐中的四面体※ ※ 5.共价晶体结构共价晶体结构  Covalent Crystal  周周期期表表中中ⅣⅣ族族元元素素C.Si.Ge.SnC.Si.Ge.Sn的的晶晶体体属属于于共共价价晶晶体体结结构构共共价价键键结结合合，，其其特特点点是是共共用用价价电电子子使使原原子子的的外外壳壳层层满满足足稳稳定定的的8 8个个电电子子，，故故在在共共价价晶晶体体中中，，符符合合8-8-N N原原则则，，（（N N为为该该原原子子的的价价电电子子数数）），，具具有有饱饱和性 一、金刚石结构一、金刚石结构 碳的价电子数为碳的价电子数为4 4，按，按8-8-N N规则，规则，其配位数为其配位数为8-4=4 8-4=4 复杂立方晶体结构复杂立方晶体结构该该结结构构可可视视为为两两个个面面心心立立方方晶晶胞胞沿沿体体对对角角线线相相对对位位移移1/41/4长长度度穿穿插插而而成成。

碳碳原原子子在在胞胞内内除除按按fccfcc排排列列之之外外，，在在相相当当于于fccfcc内内四四个个四四面面体体间间隙位置处还各有一个碳原子，故每个晶胞内原子数为隙位置处还各有一个碳原子，故每个晶胞内原子数为8 8 (a) 共价键 (b)晶胞 (c)底面上的投影 图: 金刚石结构二．二．SiOSiO2 2结构结构 高高温温时时呈呈面面心心立立方方结结构构，，在在单单胞胞中中每每一一硅硅原原子子被被4 4个个氧氧原原子子所所包包围围，，而而每每个个氧氧原原子子则则介介于于两两个个硅硅原原子子之之间间，，起起着着搭搭桥桥作作用用连连接接着着两两个个四四面面体体SiOSiO2 2在在空空间间形形成成网网络络结结构构单单胞胞共共有有2424个个原原子子，，8 8个个SiSi4+4++16+16个个O O2-2-，，简简化化成成面面心心立立方方点点阵阵时时每每一一阵阵点点包含包含6 6个原子个原子(4(4O O2-2-+2Si+2Si4+4+) ) 在在SiCSiC晶体结构与金刚石结构相同，只不过晶体结构与金刚石结构相同，只不过SiSi原子取代了复原子取代了复杂立方晶体结构中位于四面体间隙中的杂立方晶体结构中位于四面体间隙中的C C原子。

原子图：第图：第VA族元素族元素As,Sb,Bi的晶体结构的晶体结构三．三．ⅤⅤA.ⅥAA.ⅥA族的亚金属族的亚金属 如如砷砷( (As)As)、、碲碲( (Te)Te)等等根根据据配配位位数数8-8-N N规规则则，，相相邻邻原原子子以以共共价价键键结结成成链链状状或或层层状状排排列列结结构构，，而而各各层层或或链链之之间间则则以以金金属属键键或或范范德德华华键键结结合AsAs、、SbSb、、BiBi的晶体结构属菱方结构（的晶体结构属菱方结构（A7A7），配位数为），配位数为3 3 ※ ※ 5.聚合物晶态结构聚合物晶态结构 Polymer Crystal Structure   聚集态结构聚集态结构晶态结构晶态结构非晶态非晶态( (无定形无定形) )结构结构特点特点聚合物晶态总是包含一定量的非晶相聚合物晶态总是包含一定量的非晶相；聚集态结构不仅与大分子链本身的结构有关，聚集态结构不仅与大分子链本身的结构有关，而且强烈地依赖于外界条件。

而且强烈地依赖于外界条件     当当聚聚合合物物的的一一次次和和二二次次结结构构规规则则简简单单的的以以及及分分子子键键作作用用力力强强的的大大分分子子易于形成晶体结构易于形成晶体结构 与与一一般般低低分分子子晶晶体体相相比比，，聚聚合合物物晶晶体体具具有有不不完完善善、、无无完完全全确确定定的的熔熔点点结晶速度慢的特点结晶速度慢的特点 聚聚合合物物晶晶体体结结构构包包括括晶晶胞胞结结构构、、晶晶体体中中大大分分子子链链的的形形态态以以及及单单晶晶和和多多晶的形态等晶的形态等 （三次结构）（三次结构）       一、晶胞结构　一、晶胞结构　因因平平行行于于和和垂垂直直于于大大分分子子链链方方向向的的原原子子间间距距离离是是不不同同的的，，使使得得聚聚合合物物不不能以立方晶系的形式存在，能以立方晶系的形式存在，聚聚合合物物晶晶胞胞结结构构　　和和晶晶胞胞参参数数与与大大分分子子的的化化学学结结构构、、构构象象及及结结晶晶条条件件有有关关晶晶胞胞中中，，大大分分子子链链可可采采用用不不同同的的构构象象（（形形态态））聚聚乙乙烯烯、、聚聚乙乙烯烯醇醇、、聚聚丙丙烯烯脯脯、、涤涤纶纶、、聚聚酰酰胺胺等等晶晶胞胞中中，，大大分分子子链链大大都都呈呈平平面面锯锯齿齿；；而而聚聚四四氟乙烯、等规聚烯等晶胞中大分子链呈螺旋形态氟乙烯、等规聚烯等晶胞中大分子链呈螺旋形态。

      图：聚丙烯的形态和在晶胞中的排列图：聚丙烯的形态和在晶胞中的排列图：图： 聚乙烯分子的形态和在晶胞中的排列聚乙烯分子的形态和在晶胞中的排列图：图： 纤维素葡萄糖单元在晶胞中的排列纤维素葡萄糖单元在晶胞中的排列二、晶态结构模型二、晶态结构模型基本模型有三种：基本模型有三种：1 1、、缨缨须须状状胶胶束束模模型型－－它它认认为为聚聚合合物物结结晶晶中中存存在在许许多多胶胶束和胶束间区域，胶束是结晶区，胶束间是非晶区；束和胶束间区域，胶束是结晶区，胶束间是非晶区；2 2、、折折叠叠链链模模型型－－它它认认为为在在聚聚合合物物晶晶体体中中大大分分子子链链是是以以折叠形式堆砌而成；折叠形式堆砌而成；3 3、、伸伸直直链链模模型型－－如如聚聚乙乙烯烯和和聚聚四四氟氟乙乙烯烯等等不不带带侧侧基基的的聚聚合合物物在在极极高高压压力力下下缓缓慢慢结结晶晶－－多多层层片片晶晶，，片片晶晶是是大大分分子链系取最紧密伸直链结构子链系取最紧密伸直链结构          三、聚合物结晶形态三、聚合物结晶形态 根根据据结结晶晶条条件件的的不不同同，，聚聚合合物物可可以以生生成成单单晶晶体体，，树树枝枝状状晶晶体体、、片片晶晶、、球球晶晶以以及及其其他他形形态态的的多多晶晶聚聚集集体体。

多多晶晶体体基基本本上上是是球球状状晶晶体体聚聚集集体体它它是是由由大大量量多多层层片片晶晶以以晶晶核核为为中中心心，，分分枝枝辐辐射射地地向向外外生生长长而而成成，，在在某某些些场场合下，可获得纤维状晶体合下，可获得纤维状晶体      图：球晶生长过程示意图图：球晶生长过程示意图图：球晶结构的示意图图：球晶结构的示意图图：串晶的结构示意图图：串晶的结构示意图※ 6.非晶态（Amorphous）结构   *  气态和液态物质都是非晶体气态和液态物质都是非晶体 * 固固体体的的非非晶晶体体实实际际上上是是一一种种过过冷冷状状态态的的液液体体，，其其原原子子在在三三维维空空间间不存在长程的周期性排列不存在长程的周期性排列  * 玻璃是典型例子，故往往将非晶体称为玻璃态玻璃是典型例子，故往往将非晶体称为玻璃态   * 性能特点：没有固定熔点性能特点：没有固定熔点　　　　　　　　　　 各向同性各向同性                   石英的结构模型示意图石英的结构模型示意图(a) 石英晶体结构模型石英晶体结构模型      (b)石英玻璃结构模型石英玻璃结构模型晶态与非晶态在一定条件下可以互相转化晶态与非晶态在一定条件下可以互相转化       对对金金属属材材料料，，由由于于其其晶晶体体结结构构比比较较简简单单，，从从液液态态冷冷凝凝过过程程中中很很难难阻阻止止结结晶晶过过程程的的发发生生，，故故固固态态下下的的金金属属通通常常多多为为晶晶体体结结构构。

然然而而随随着着超超快快冷冷凝凝技技术术的发展和一些特殊制备方的发展和一些特殊制备方s s法的出现，使制取非晶态金属成为可能法的出现，使制取非晶态金属成为可能 对对无无机机非非金金属属材材料料而而言言，，非非晶晶态态泛泛指指熔熔融融态态和和玻玻璃璃态态熔熔融融态态即即无无机机多多组组分分系系统统（（主主要要指指金金属属氧氧化化物物））在在高高温温下下形形成成的的熔熔体体；；玻玻璃璃态态则则为为液液态态冷冷却却已已固固化化但但未未结结晶晶的的固固体体这这些些非非晶晶态态物物质质在在无无机机材材料料生生产产中中往往往往起起着着重重要要作作用 如陶瓷中的玻璃相的作用：如陶瓷中的玻璃相的作用： ①①     在瓷坯中起粘结作用；在瓷坯中起粘结作用； ② ②     降低烧结温度；降低烧结温度； ③ ③     抑制晶粒长大，阻止多晶转变；抑制晶粒长大，阻止多晶转变； ④ ④     填充气孔间隙，促使坯体致密化填充气孔间隙，促使坯体致密化    至至于于非非晶晶型型硅硅酸酸盐盐的的基基本本结结构构单单元元是是“SiO4 ”四四面面体体，，其其中中Si原原子子处处在在四四个个O原原子子构构成成的的四四面面体体间间隙隙中中。

四四面面体体中中原原子子间间的的结结合合即即有有离离子子键键又又有有共共价价键键，，故结合力强故结合力强 而而聚聚合合物物的的非非晶晶态态是是指指玻玻璃璃态态、、橡橡胶胶态态、、粘粘流流态态(或或熔熔融融态态)以以及及结结晶晶高高聚聚物物中中非非晶晶区区的的结结构构非非晶晶态态聚聚合合物物的的分分子子排排列列无无长长程程有有序序，，对对X射射线线衍衍射射无无清晰点阵图案清晰点阵图案  (1) (1)    FloryFlory无规线团模型无规线团模型 (2) (2)    YehYeh的折叠链缨状胶束粒子模型的折叠链缨状胶束粒子模型 Yeh的 折叠链缨状胶束粒子模型           Flory 无规线团模型无规线团模型(a) 折叠链缨状胶束粒子模型折叠链缨状胶束粒子模型               (b) 塌球模型塌球模型图：聚合物的几种非晶结构模型图：聚合物的几种非晶结构模型        (c) 曲棍状模型曲棍状模型            (d)  无规线团模型无规线团模型本章习题：1. 已知FeO的晶体结构为Nacl型，离子半径Fe2+为0.077nm,O2-为0.140nm，试计算FeO密度。

2．试计算金刚石结构的密度3．非晶态结构物质与晶体结构物质在原子排列分布和性能上的主要区别是什么？。